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Máquinas Sincrónicas:
Las máquinas sincrónicas (o sincrónicas) son maquinas cuyo estator se encuentra
alimentado por corriente alterna, en tanto el rotor tiene alimentación continua ya
sea a través de un enrollado de campo o bien mediante imanes permanentes.
Índice:
Maquinas Sincrónicas
Generadores Sincrónicos
Conclusión
Maquinas Sincrónicas:
Los maquinas síncronas son un tipo de motor de corriente alterna. Su
velocidad de giro es constante y depende de la frecuencia de la tensión de la red
eléctrica a la que esté conectada y por el número de pares de polos del motor,
siendo conocida esa velocidad como "velocidad de sincronismo". Este tipo de
motor contiene electromagnetos en el estator del motor que crean un campo
magnético que rota en el tiempo a esta velocidad de sincronismo.
En términos prácticos, las máquinas sincrónicas tienen su mayor aplicación en
potencias elevadas, particularmente como generadores ya sea a bajas
revoluciones en centrales hidroeléctricas, o bien a altas revoluciones en turbinas
de vapor o gas.
Cuando la máquina se encuentra conectada a la red, la velocidad de su eje
depende directamente de la frecuencia de las variables eléctricas (voltaje y
corriente) y del número de polos. Este hecho da origen a su nombre, ya que se
dice que la máquina opera en sincronismo con la red. Por ejemplo, una máquina
con un par de polos conectada a una red de 50 [Hz] girará a una velocidad fija de
3000 [RPM], si se tratara de una máquina de dos pares de polos la velocidad sería
de 1500 [RPM] y así sucesivamente, hasta motores con 40 o más pares de polos
que giran a bajísimas revoluciones.
En la operación como generador desacoplado de la red, la frecuencia de las
corrientes generadas depende directamente de la velocidad mecánica del eje.
Esta aplicación ha sido particularmente relevante en el desarrollo de centrales de
generación a partir de recursos renovables como la energía eólica.
Las máquinas sincrónicas también se emplean como motores de alta potencia
(mayores de 10.000 [HP]) y bajas revoluciones. Un ejemplo particular de estas
aplicaciones es al interior de la industria minera como molinos semiautógenos
(molinos SAG) o como descortezadores de la industria maderera.
Adicionalmente a la operación como motor y generador, el control sobre la
alimentación del rotor hace que la máquina sincrónica pueda operar ya sea
absorbiendo o inyectando reactivos a la red en cuyo caso se conocen como
reactor o condensador sincrónico respectivamente. Particularmente esta última
aplicación es utilizada para mejorar el factor de potencia del sistema eléctrico el
cual tiende a ser inductivo debido a las características típicas de los consumos.
La expresión matemática que relaciona la velocidad de la máquina con los
parámetros mencionados es:
Características constructivas:
Características del estator:
Dada la alimentación alterna de la armadura, el estator de la máquina
sincrónica es muy similar al estator de la máquina de inducción, por lo cual las
características constructivas del mismo no se repetirán en esta sección
Características del rotor:
El rotor de una máquina sincrónica puede estar conformado por:
- Imanes permanentes
- Rotor de polos salientes
- Rotor cilíndrico
Los imanes permanentes representan la configuración más simple ya que evita
el uso de anillos rozantes para alimentar el rotor, sin embargo su aplicación a altas
potencias se encuentra limitada ya que las densidades de flujo magnético de los
imanes no es, por lo general, alta. Adicionalmente, los imanes permanentes crean
un campo magnético fijo no controlable a diferencia de los rotores con enrollados
de excitación donde se puede controlar la densidad de flujo magnético.
Dentro de los rotores con enrollados de excitación se tienen los de tipo
cilíndrico y los de polos salientes.
La imagen muestra el diagrama del estator de una máquina sincrónica, la figura
(b) corresponde a un rotor de polos salientes, en tanto que el dibujo (c) muestra el
esquema de un rotor cilíndrico. Por su parte, en las figuras (d) y (e) se observan la
apariencia de una máquina sincrónica vista desde fuera y la representación de los
enrollados de rotor y estator, respectivamente.
Figura 1. Rotores de máquina sincrónica
Desde el punto de vista de modelamiento el rotor cilíndrico es bastante más
simple que el rotor de polos salientes ya que su geometría es completamente
simétrica. Esto permite establecer las relaciones para los voltajes generados
respecto de las inductancias mutuas del rotor y estator, las cuales son constantes.
En el caso del rotor de polos salientes, su geometría asimétrica provoca que el
modelamiento de las inductancias propias de estator y rotor, así como las
inductancias mutuas entre ambos, tengan un desarrollo analítico bastante
complejo.
Motores síncronos:
De acuerdo con lo estudiado, los motores síncronos no pueden arrancar en
forma autónoma lo cual hace que requieran mecanismos adicionales para la
partida:
Una máquina propulsora externa (motor auxiliar).
Barras amortiguadoras.
Particularmente en el segundo caso, se intenta aprovechar el principio del
motor de inducción para generar torque a la partida. Constructivamente, en cada
una de las caras polares del rotor (polos salientes), se realizan calados donde se
colocan una barras, denominadas amortiguadoras, que le dan al rotor una
característica similar a los segmentos tipo jaula de ardilla del motor de inducción.
Figura 2. Barras amortiguadoras en motor síncrono
De este modo, el motor se comporta como una máquina de inducción hasta
llegar a la velocidad sincrónica. Es importante notar que el circuito de
compensación se construye de modo que el campo magnético rotatorio inducido
en el rotor sea débil comparado con el campo magnético fijo del rotor (producido
por la alimentación con corriente continua). De este modo se evita que el efecto de
inducción perturbe la máquina en su operación normal.
Ejes directo y en cuadratura:
El estudio del comportamiento de las máquinas sincrónicas se simplifica al
considerar dos ejes ficticios denominados eje directo y eje en cuadratura, que
giran solidarios al rotor a la velocidad de sincronismo (ver figura 3):
El eje directo es aquel que se define en la dirección Norte-Sur del rotor, con
su origen en el centro magnético y en dirección hacia el Norte.
El eje en cuadratura tiene el mismo origen que el anterior pero su dirección
es perpendicular a éste.
Las corrientes por ambos enrollados ficticios (Id e Iq) están desfasadas en 90º
eléctricos y la suma de ambas es equivalente a la corriente por fase en los
enrollados reales.
Figura 3. Ejes directo y en cuadratura
El uso de estos enrollados ficticios permite simplificar el análisis de las
máquinas sincrónicas. En particular, en el caso de la máquina con rotor cilíndrico
que posee una geometría simétrica es posible establecer un circuito eléctrico
equivalente para definir el comportamiento de esta máquina.
En el caso del rotor de polos salientes, si bien no se puede esquematizar el
comportamiento de la máquina a través de un circuito eléctrico equivalente, el
empleo de los ejes directo y en cuadratura contribuye a simplificar notablemente el
desarrollo analítico y las ecuaciones debido a que permite independizarse del
ángulo de posición entre el rotor y los ejes de las fases.
En la sección siguiente se presenta el desarrollo analítico del comportamiento
de la máquina de polos salientes (más compleja) y posterior a ello se analiza el
comportamiento de la máquina con rotor cilíndrico a partir de su circuito
equivalente.
Circuito equivalente de la máquina sincrónica:
La existencia de los ejes ficticios directo y en cuadratura permite modelar
eléctricamente las variables del estator a través de la resistencia del estator y las
reactancias del eje directo y en cuadratura.
Particularmente, si el rotor es de polos salientes las reactancias en ambos ejes
son diferentes y su cálculo supone un desarrollo complejo como el presentado
precedentemente. En el rotor cilíndrico, sin embargo, se define una única
reactancia: Xs=Xd=Xq por lo cual es posible establecer un circuito como el de la
siguiente figura 4.
Figura 4. Circuito equivalente por fase de la máquina sincrónica.
A partir de la figura se define:
Donde:
E es la tensión inducida de la máquina
Re es la resistencia en los enrollados del estator.
Ler es la inductancia mutua entre rotor y estator.
Ne, Nr son el número de vueltas de los enrollados de estator y rotor
respectivamente.
R es la reluctancia del circuito magnético.
Ir es la corriente rotórica (de excitación).
Generadores Sincrónicos:
El generador síncrono (alternador) es un tipo de máquina eléctrica rotativa
capaz de transformar energía mecánica en energía eléctrica. A estos también se
los conoce como Máquinas Síncronas, la razón por la que se llama generador
síncrono es la igualdad entre la frecuencia eléctrica como la frecuencia angular, es
decir, el generador girara a la velocidad del campo magnético, por lo que a esta
igualdad de frecuencias se le denomina sincronismo. Los generadores constan
fundamentalmente del rotor y el estator, ambos con devanados.
Esta máquina funciona alimentando al rotor o circuito de campo por medio de
una batería es decir por este devanado fluirá CC., mientras q en el estator o
circuito de armadura la corriente es alterna CA.
El generador síncrono está compuesto principalmente de una parte móvil o
rotor y de una parte fija o estator, el principio de funcionamiento de un generador
síncrono se basa en la ley de Faraday. Para crear tensión inducida en el (estator),
debemos crear un campo magnético en el rotor o circuito de campo, esto lo
lograremos alimentado el rotor con una batería, este campo magnético inducirá
una tensión en el devanado de armadura por lo que tendremos una corriente
alterna fluyendo a través de él.
Tipos de construcción:
La principal diferencia entre los diferentes tipos de generadores síncronos, se
encuentra en su sistema de alimentación en continua para la fuente de excitación
situada en el rotor.
Excitación Independiente: excitatriz independiente de continua que alimenta el
rotor a través de un juego de anillos rozantes y escobillas.
Excitatriz principal y excitatriz piloto: la máquina principal de continua tiene
como bobinado de campo otra máquina de excitación independiente, accionada
por el mismo eje.
Electrónica de potencia: directamente, desde la salida trifásica del generador, se
rectifica la señal mediante un rectificador controlado, y desde el mismo se alimenta
directamente en continua el rotor mediante un juego de contactores (anillos y
escobillas). El arranque se efectúa utilizando una fuente auxiliar (batería) hasta
conseguir arrancar.
Sin escobillas, o diodos giratorios: la fuente de continua es un rectificador no
controlado situado en el mismo rotor (dentro del mismo) alimentado en alterna por
un generador situado también en el mismo eje y cuyo bobinado de campo es
excitado desde un rectificador controlado que rectifica la señal generada por el
giro de unos imanes permanentes situados en el mismo rotor (que constituyen la
excitatriz piloto de alterna).
Partes de un generador síncrono:
A continuación se detalla las partes fundamentales que componen un
generador síncrono:
1. Estator.
2. Rotor.
3. Sistema de enfriamiento.
4. Excitatriz.
5. Conmutador.
Fig 1: Partes del Alternador
Estator:
Parte fija de la máquina, montada envuelta del rotor de forma que el mismo
pueda girar en su interior, también constituido de un material ferromagnético
envuelto en un conjunto de enrollamientos distribuidos al largo de su
circunferencia. Los enrollamientos del estator son alimentados por un sistema de
tensiones alternadas trifásicas.
Por el estator circula toda la energía eléctrica generada, siendo que tanto la
tensión en cuanto a corriente eléctrica que circulan son bastante elevadas en
relación al campo, que tiene como función sólo producir un campo magnético para
"excitar" la máquina de forma que fuera posible la inducción de tensiones en las
terminales de los enrollamientos del estator.
La máquina síncrona está compuesta básicamente de una parte activa fija
que se conoce como inducido o ESTATOR y de una parte giratoria coaxial que se
conoce como inductor o ROTOR. El espacio comprendido entre el rotor y el
estator, es conocido como entrehierro.
Esta máquina tiene la particularidad de poder operar ya sea como generador o
como motor.
Fig 3: Estator del Alternador
Los elementos más importantes del estator de un generador de corriente alterna,
son las siguientes:
1. Componentes mecánicas.
2. Sistema de conexión en estrella.
3. Sistema de conexión en delta.
Componentes mecánicas. Las componentes mecánicas de un generador son las
siguientes:
A. La carcasa: La carcasa del estator está formada por bobinas de campo
arrollados sin dirección, soportadas en piezas de polo sólidas. Las bobinas
están ventiladas en su extremo para proporcionar de esta forma una amplia
ventilación
y
márgenes
de
elevación
de temperatura.
La carcasa del estator es encapsulada por una cubierta apropiada para
proporcionar blindado y deflectores de aire para una correcta ventilación de
la excitatriz sin escobillas.
B. El núcleo.
C. Las bobinas.
D. La caja de terminales.
Sistema de conexión en estrella. Los devanados del estator de un generador de
C.A. están conectados generalmente en estrella, en la siguiente figura T1, T2, T3
representan las terminales de línea (al sistema) T4, T5, T6 son las terminales que
unidas forman el neutro.
Fig 4: conexión en estrella
Sistema de conexión delta. La conexión delta se hace conectando las terminales
1 a 6, 2 a 4 y 3 a 5, las terminales de línea se conectan a 1, 2 y 3, con esta
conexión se tiene con relación a la conexión estrella, un voltaje menor, pero en
cambio se incrementa la corriente de línea.
Fig 4: conexión en delta
Rotor:
Es la parte de la máquina que realiza el movimiento rotatorio, constituido de un
material ferromagnético envuelto en un enrollamiento llamado de "enrollamiento de
campo", que tiene como función producir un campo magnético constante así como
en el caso del generador de corriente continua para interactuar con el campo
producido por el enrollamiento del estator.
La tensión aplicada en ese enrollamiento es continua y la intensidad de la
corriente soportada por ese enrollamiento es mucho más pequeño que el
enrollamiento del estator, además de eso el rotor puede contener dos o más
enrollamientos, siempre en número par y todos conectados en serie siendo que
cada enrollamiento será responsable por la producción de uno de los polos del
electroimán.
Fig 5: Rotor del Alternador
Sistema de enfriamiento.
1. Generadores enfriados por aire:
Estos generadores se dividen en dos tipos básicos: abiertos ventilados y
completamente cerrados enfriados por agua a aire.
Los generadores de tipo OV fueron los primeros construidos, el aire en este
tipo de generadores pasa sólo una vez por el sistema y considerable cantidad de
materias extrañas que pueden acumularse en las bobinas, interfiriendo la
transferencia de calor y afectando adversamente al aislamiento.
Los generadores tipo TEWC, son un sistema de enfriamiento cerrado, donde
el aire re circula constantemente y se enfría pasando a través del tubo del
enfriador, dentro de los cuales se hace pasar agua de circulación. La suciedad y
materias extrañas no existen en el sistema, y puesto que se tiene agua de
enfriamiento disponible, la temperatura del aire puede mantenerse tan baja como
se desee.
2. Generadores enfriados por hidrógeno:
Los generadores de mayor capacidad, peso, tamaño y los más modernos,
usan hidrógeno para enfriamiento en vez de aire en circuito de enfriamiento
cerrado. El enfriamiento convencional con hidrógeno puede usarse en
generadores con capacidad nominal aproximada de 300 MVA.
3. Generadores enfriados por hidrógeno / agua:
Pueden lograrse diseños de generadores aun más compactos mediante el uso
de enfriamiento con agua directo al devanado de la armadura del generador. Estos
diseños emplean torones de cobre a través de los cuales fluye agua desionizada.
El agua de enfriamiento se suministra vía un circuito cerrado.
Tipos de diseños:
A continuación vamos a enumerar cuales son los tipos de diseños que se
encuentran en la construcción de generadores síncronos. Estos son:
De polos salientes en el estator
De polos salientes en el motor
Generador sin escobillas
Ahora vamos a proceder a analizar cada uno de estos, recalcando la utilidad y
aplicación de cada uno de estos diseños.
Generador síncrono con polos salientes en el estator:
Fig. 6. Generador con polos en el estator.
El estator está constituido principalmente de un conjunto de láminas de acero
al silicio (y se les llama "paquete"), que tienen la habilidad de permitir que pase a
través de ellas el flujo magnético con facilidad; la parte metálica del estator y los
devanados proveen los polos magnéticos.
La particularidad de este tipo de generador es que tiene el inducido en el rotor,
esta configuración es propia de máquinas de baja y media velocidad y potencia,
hasta 1000 rpm.
Por tal razón para poder sacar la tensión producida, necesitamos de un
sistema de colector de anillos. El número de anillos a utilizar va a depender
directamente del número de fases con la que nos encontremos trabajando.
Generador síncrono con polos salientes en el rotor:
Fig. 7. Generador con polos en el rotor
Este generador a diferencia del anterior tiene el inducido en el estator, por tal
razón no necesitamos un mecanismo de colector de anillos para extraer la tensión
generada ya que esta va a encontrarse en la parte externa de la máquina,
necesitaríamos únicamente un par de anillos, con la finalidad de ingresar el voltaje
de campo, pero esto es de gran ayuda ya que el voltaje de campo es
considerablemente más pequeño que la tensión generada, por tal razón este par
de anillos van hacer de medidas pequeñas, y así mismo las escobillas no tendrían
un tamaño mayor.
Fig. 5. Polos salientes en el rotor
Se utiliza este tipo de generadores, para gran potencia, por la versatilidad que nos
brinda.
Generador síncrono sin escobillas:
Fig. 5. Generador sin escobillas
Este tipo de generadores son de mediana potencia, para la excitación
podríamos tener un banco de baterías que sería de respaldo, la excitatriz podría
ser un alternador, es decir un generador síncrono con polos salientes en el estator,
luego de esta etapa, sale a una placa electrónica en donde por medio de
dispositivos electrónicos, se envía al circuito de excitación del generador principal.
Para realizar reparaciones en este tipo de generadores, es necesario saber sobre
dispositivos electrónicos, y centrarse en el controlador.
Fig. 5. Alternador sin escobillas
Debido a que no presenta ningún contacto mecánico entre el rotor y el estator
estas maquinas requieren mucho menos mantenimiento.
Conclusiones
El generador síncrono consta de una igualdad entre la frecuencia eléctrica y la
frecuencia angular, es decir, el generador girara a la velocidad del campo magnético
a esta igualdad de frecuencias se le denomina sincronismo.
El diseño de polos salientes en el estator, tiene la condición que cuenta con el
inducido en el rotor, es decir en la parte que se mueve, de aquí que es necesario la
utilización de anillos, y estos van a depender del número de fases.
El diseño de polos salientes en el estator, es utilizada para generadores de gran
potencia, el inducido se encuentra en el estator, y no necesitamos sacar la tensión
generada, únicamente ingresar un voltaje mínimo para la excitación del campo.
El diseño del generador sin escobillas es mucho más complejo que los anteriores, ya
que la salida de este va a dirigirse hacia una placa electrónica, en la cual van a
encontrarse diferentes tipos de dispositivos, y este comandar el circuito de
excitación.